具有相同主波束輻射特性的雙極化天線系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種天線系統，其包括：基板以及排布成預定幾何圖案并連接于所述基板上的多個天線單元，每個天線單元包括水平極化天線和垂直極化天線；其中根據指示與采用該天線系統的設備通訊的通訊設備的天線類型的信號，激勵所述天線單元中的水平極化天線或垂直極化天線，以所述通訊設備提供更好的無線鏈路。
【專利說明】具有相同主波束輻射特性的雙極化天線系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及天線領域，更為特別的是涉及一種天線陣列，其受電子控制以形成所需要的天線方向圖，其中兩個獨立的極化天線元件可以通過電氣控制來形成相同的主波束輻射特性。
【背景技術】
[0002]天線系統是通信系統組成中必不可少的。在現有的無線通信中，單天線分別用于發射源和接收端。在物理中，天線是提供電能與射頻電磁波互相轉換的電氣裝置，其通常用于無線發射機或接收機中。在發射時，無線發射機發送一個振蕩的射頻電流給天線，天線將其轉換為電磁波福射出去；在接收時，天線截獲一部分電磁波的能量以產生一個微小的電壓，并將該電壓輸送到接收機中放大。
[0003]天線是所有使用無線電的設備中必不可少的組成部分。它被廣泛應用于諸如廣播、電視、雙向通信、雷達、手機以及衛星通信等系統。它也被廣泛應用在如車庫門禁、無線話筒、藍牙設備、無線網卡、嬰兒監視器、商品射頻識別標簽等裝置。通常情況下，天線是金屬導體排布而成，并與發射機或接收機電性相連接(一般通過一個傳輸線)。振蕩的電流通過發射機傳送到天線時在所述天線導體周圍產生振蕩的磁場，同時電流本身在所述天線導體周圍產生振蕩的電場。以適當的比例創建這些隨時間變化的場，像移動的橫向電磁波那樣通過天線向空間輻射。相反的，在接收過程中，無線電波在天線導體中產生振蕩的電場與磁場，從而產生振蕩的電流。
[0004]眾所周知，天線系統中的輻射射頻能量有其非常獨特的極化特性，這取決于天線的幾何形狀和方向性。通常，極化方式可以是線性極化或橢圓極化。更具體地說，線性極化又包含垂直極化和水平極化，橢圓極化包含特殊的圓極化。無論如何，最基本的極化方式是垂直和水平極化。所有其他的極化方式都是由上述兩種簡單的極化方式線性組合形成。對于任何發射或接收模式的射頻傳輸，如果發射天線與接收天線極化失配，射頻能量將會損失，通信質量就會變差。
[0005]在W1-Fi領域中，客戶端的天線系統一般比較簡單，只能響應線性極化的射頻信號，而且一般客戶端(例如一臺通信設備)的天線線極化方向經常是不可預測的。因此，W1-Fi服務提供者最好能同時為每個獨立的信道提供水平極化和垂直極化的射頻鏈路，以與客戶端建立良好的射頻連接。在操作中，若是水平極化和垂直極化的主波束輻射特性基本一致，就能更符合客戶端的需求。盡管設計出同時提供水平極化和垂直極化的射頻鏈路的天線系統不是很難，但是想讓兩種極化的主波束輻射特性基本一致卻不那么容易。
[0006]因此有必要提出一種改進的天線系統，其能夠同時提供具有主波束輻射特性的水平極化和垂直極化的射頻鏈路。

【發明內容】

[0007]這部分目的在于總結本發明的某些方面，并簡要介紹一些優選的實施例。在本節中以及摘要中出現的一些簡化、省略的部分為了突出本節以及摘要的目的，這樣的簡化和省略并不是在限定本發明的范圍。
[0008]本發明的目的在于提供一種天線系統，其能夠同時提供具有主波束輻射特性的水平極化和垂直極化的射頻鏈路。
[0009]根據本發明的一個方面，所述天線系統包括一組天線單元，每個天線單元包括兩個正交放置的天線。這些天線單元按照預先定義的幾何方式排布來形成一種具有兩個獨立極化且主波束輻射特性類似的天線。
[0010]根據本發明的另一個方面，天線單元中的天線根據預先定義的幾何設計用金屬條(例如銅)蝕刻在兩個印刷電路板(PCB)上。根據需要，金屬條可能出現在每個PCB的一側或兩側。當金屬條或整個天線覆在PCB的兩側時，乃是通過金屬化過孔連接來連接。
[0011]根據本發明的另一個方面，除了天線上的金屬條，PCB還用于支持其他控制天線的電路或用來進行阻抗匹配。根據本發明的又一個方面，可以根據天線系統和其他的移動設備(例如一個無線路由器和一個移動設備)之間的無線電信號來有選擇的激勵天線陣列中的天線單元來形成所需要的輻射方向圖，以便兩個設備間形成無縫通信或是滿足服務質量QoS等級的通信。
[0012]根據不同的用途，本發明可以應用于一種解決方案、一種裝置或一個系統的一部分。根據一個實施例，本發明是一種一種天線系統，其特征在于，其包括:基板；以及連接于所述基板的多個天線單元，每個天線單元包括第一印刷電路板與第二印刷電路板，其中每個天線單元的第一印刷電路板和第二印刷電路板正交放置，每個印刷電路板包括蝕刻于其上的預定形狀的金屬條。進一步的，所有天線單元的第一印刷電路板都是平行的，所有天線單元的第二印刷電路板都是平行的。在工作時，天線單元彼此獨立，并提供擁有相同主波束輻射特性的水平、垂直極化的射頻鏈路。
[0013]根據另一個實施例，本發明是一種天線系統，其特征在于，其包括:基板；以及排布成預定幾何圖案并連接于所述基板上的多個天線單元，每個天線單元包括水平極化天線和垂直極化天線；其中根據指示與采用該天線系統的設備通訊的通訊設備的天線類型的信號，激勵所述天線單元中的水平極化天線或垂直極化天線，以所述通訊設備提供更好的無線鏈路。
[0014]與現有技術相比，本發明中的天線系統包括有水平極化天線和垂直極化天線，其能夠同時提供具有主波束輻射特性的水平極化和垂直極化的射頻鏈路，本發明的其中一個目的、特征與優點是提供一種體積小、工作頻段寬、天線方向圖優異、成本低且制造工藝簡單的天線陣列或天線系統。另一目的、特征與優點與前述一起將在下面的描述和附圖所示的實施例中說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]以下附圖和描述有助于更深刻的理解本發明的特征、優點。
[0016]圖1A所示為具有蝕刻于印刷電路板上的金屬導體(例如銅)的天線元件的立體圖。
[0017]圖1B所示為對應的垂直安裝的天線元件的立體圖。
[0018]圖1C和圖1D分別顯示了圖1A、圖1B的天線元件的水平面天線方向圖。
[0019]圖1E示出了射頻能量通過印刷電路板的連接能夠到達倒“J”形天線振子。[0020]圖2A所示為本發明的一個實施例中使用的由圖1A和圖1B所示的基本天線元件構成天線單元，其可以用來提供具有大致相似的主波束輻射特性的垂直極化和水平極化的RF鏈路。
[0021]圖2B所示為兩個天線單元垂直排列或一個在另一個上以相同間距垂直排列。
[0022]圖2C所示為兩個天線單元水平排列或依次相鄰水平排列。
[0023]圖2D、圖2E、圖2F、圖2G、圖2H分別顯示使用更多的這樣的天線單元的一些典型結構。
[0024]圖21為圖2B中的天線單元的垂直極化天線的水平面天線方向圖；
[0025]圖2J為圖2B中的天線單元的垂直極化天線的垂直面天線方向圖；
[0026]圖2K為圖2B中的天線單元的水平極化天線的水平面天線方向圖；
[0027]圖2L為圖2B中的天線單元的水平極化天線的垂直面天線方向圖；
[0028]圖2M為圖2C中的天線單元的垂直極化天線的水平面天線方向圖；
[0029]圖2N為圖2C中的天線單元的垂直極化天線的垂直面天線方向圖；
[0030]圖20為圖2C中的天線單元的水平極化天線的水平面天線方向圖；
[0031]圖2P為圖2C中的天線單元的水平極化天線的垂直面天線方向圖；
[0032]圖3所示為根據本發明的一個實施例的天線系統的系統框圖。
【具體實施方式】
[0033]本發明的詳細描述包含了過程、步驟、邏輯運算、處理以及其他使用符號直接或間接的表明通信裝置與饋電網絡的耦合等類似的操作。這些過程的描述通常被熟悉本領域的技術人員用來與其他同領域的技術人員作有效的溝通。
[0034]以下描述中用到的“一個具體實施例”或“具體實施例”是指結合該具體實施例中所描述的特定特征、結構或特性，并至少包含在本發明內的一個具體實施例。出現的“在一個具體實施例中”并不一定是指在同一個具體實施例，這些具體實施例也不存在相互排斥或相互替換。此外，本實施例中流程框圖做提到的具體實施例的順序并不表示任何特定的順序，也未做限制。
[0035]無線通訊的服務提供者一直在尋找一種能夠提供高增益并且體積小的天線系統。另外，理想狀況下是部署一套能夠提供最佳無線功率以覆蓋已知方位跨度的天線系統。本發明的一個實施例提供了一種天線陣列的設計，其水平極化和垂直極化射頻(RF)鏈路上具有基本相同的主波束輻射特性。
[0036]參照【專利附圖】

【附圖說明】，其中相同的數字標號在不同附圖中指代相同的部分。在一個具體實施例中，圖1A所示為天線元件(element) 100的立體圖，其中其具有蝕刻于印刷電路板(PCB) 102上的金屬導體(例如銅)。在圖1A中可以清楚的看到金屬條在印刷電路板102的同一側。根據不同實施方式，可以在印刷電路板102的另一側也蝕刻布置類似的金屬條。圖1A所示的天線元件100是水平安裝的，而圖1B所示的天線單元104是垂直安裝的。
[0037]在此具體實施例中，印刷電路板102是雙面的，圖1A中印刷電路板另一側的金屬條(或稱金屬跡、金屬導體)是看不到的，在圖1B中可以看到。在一般情況下，印刷電路板(例如102)兩側的金屬條形狀是不相同的。所述印刷電路板的一側是天線元件，其金屬條形狀類似倒的字母“J”形，當有信號加載時其會向外輻射。在所述印刷電路板的另一側，所述金屬條作為饋線和阻抗匹配線，因而不會輻射電磁波，所以本文中印刷電路板102、106被定義為天線元件。
[0038]所述印刷電路板102垂直的安裝在金屬地平面110上。金屬條的幾何形狀和所述地平面110的大小經過特殊的設計來實現在水平面上的理想波束寬度。如果所述天線元件的方位如圖1A所示擺放，這個水平面也被稱為E面。如果所述天線元件的方位如圖1B所示擺放，圖1B中的天線元件經過設計來實現在水平面上的理想波束寬度，而這個水平面被稱為H面。圖1C、1D分別顯示了圖1A、1B天線元件的水平面輻射方向圖。換句話說，圖1A、IB所示的基本天線元件在水平面上提供基本相似或相同的輻射特性。此外圖1A、1B所示的基本天線元件本質是一樣的，它們被簡單的安裝在不同的方向，一個水平，一個垂直。換句話說，這種基本天線單元在其E面和H面擁有基本相似或相同的主波束輻射特性。
[0039]如圖1A所示，印刷電路板102的一側上的金屬條107采用形如兩個倒“J”。圖1B所示為印刷電路板106的另一側上的金屬條作為反饋系統和阻抗匹配電路。印刷電路板106所示的反饋系統從一個倒“J”條的腳部延伸至另一個倒“J”條的腳部，將射頻信號連接至在所述印刷電路板106的另一側的所述倒“J”條。如圖1E所示，射頻能量通過金屬化過孔到達所述倒“J”。
[0040]圖2A所示為一個本發明的具體實施例的，利用圖1A、1B所示的基本天線元件構成的天線單元200，它提供能夠同時提供具有主波束輻射特性的水平極化和垂直極化的射頻鏈路。如圖2A所示，兩個天線單元202和204是相互隔離的，換句話說，兩個天線單元獨立工作，并能同時提供水平極化和垂直極化兩個射頻鏈路，其中兩個射頻鏈路具有相同或相似的主波束輻射特性。
[0041]圖2B所示為兩個天線單元垂直排列或一個在另一個上以相同間距垂直排列。圖2C所示為兩個天線單元水平排列或依次相鄰水平排列。多個這樣的天線單元將會不同排布。圖2D、2E、2F、2G、2H分別顯示了使用多個天線單元組陣的多重形式。本領域的技術人員還可以根據本發明的詳細描述組成更多`的排布方式以形成不同的天線系統。
[0042]盡管如此，在所有可能的排布方式中，天線單元可以水平或垂直的交叉或排列，來形成一個天線系統。根據一個具體實施例，所有的垂直排列的天線單元排列在一起，作為一個大的天線單元，所有的水平排列的天線單元排列在一起，作為另一個大的天線單元。任何時候，天線單元或者天線列，都是彼此獨立的，并能同時提供具有基本相同的主播波束輻射特性的水平極化和垂直極化兩種射頻鏈路。
[0043]圖21至圖2L分別顯示了圖2B所示天線單元的輻射方向圖。圖2M至圖2P分別顯示了圖2C所示天線單元的輻射方向圖。從這些圖中可以清楚的看出，水平極化天線和垂直極化天線擁有基本相同的主波束輻射方向圖。
[0044]圖3所示為根據本發明的一個實施例的使用于一種裝置(例如一個無線路由器)的天線系統302的系統框圖。天線系統302可以安裝于同一個封裝內。如圖3所示，該天線系統包括多個天線單元302-1，…，302-N，此處N為整數。如上所述，根據預定幾何方式將天線單元302-1，…，302-N排布安裝在一基板上。各個天線單元至少包括正交放置的兩個天線(可以是上文中的天線元件)。在本實施例中，一個是水平極化天線，一個是垂直極化天線。
[0045]在一個具體的實施例中，每個天線單元包括第一印刷電路板與第二印刷電路板，其中每個天線單元的第一印刷電路板和第二印刷電路板正交放置，每個印刷電路板包括蝕刻于其上的預定形狀的金屬條。排布所述天線單元以使得所有天線單元的第一印刷電路板都是平行的，所有天線單元的第二印刷電路板都是平行的。任意兩個相鄰的天線單元之間的間距是相同的。一個天線單元的第一印刷電路板作為水平極化天線振子，該天線單元的第二印刷電路板作為垂直極化天線振子。各個天線單元在功能上相互獨立，能提供具有基本相同的主波束輻射特性的水平極化和垂直極化射頻鏈路。
[0046]當天線系統302與其他通信裝置(例如筆記本電腦)通信時，其內的水平極化和垂直極化天線同時工作，與通信裝置304交換射頻信號。當天線系統300通過水平極化天線或者垂直極化天線接收射頻信號時，可以檢測所述通信裝置304的天線306的類型。除了避免混淆模糊本發明的重點，這里不提供如何從天線中檢測到信號強度等細節的方法。本領域的技術人員應當熟悉這些解決辦法。
[0047]根據本發明的一個實施例，當檢測到所述通信裝置304配置的是一個水平極化天線時，就沒有必要讓所述天線系統302中的垂直極化天線工作了。同樣，當檢測到所述通信裝置304配置的是一個垂直極化天線時，就沒有必要讓所述天線系統302中的水平極化天線工作了。假設反饋信號308來自于檢測信息(例如通過信號檢測或測量電路)，其指出哪一種極化天線可以更好的維持配備有所述天線系統302的設備與所述通訊裝置304之間的無線鏈路。無論水平極化天線還是垂直極化天線都是由射頻310控制激勵的。
[0048]根據本發明的另一個實施例，所述通信裝置304的天線306可能不能完全檢測出到底是所述水平極化天線還是所述垂直極化天線更適用于它們間的通信。基于根據天線系統302和所述通訊裝置304之間的射頻信號確定的靜態或動態比率配置，所述射頻模塊310可以配置為部分激勵(energized)水平極化天線而同時完全激勵所述垂直極化天線。
[0049]雖然結合具體的實施例對本發明進行詳細的描述，然而上述描述只是本發明的示例而已，而不能被解釋為對本發明的限制。本領域技術人員可以理解的是，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換等，均應包含在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的范圍定義為其保護范圍而不是以上實施例的說明。
【權利要求】
1.一種天線系統，其特征在于，其包括: 基板；以及 連接于所述基板的多個天線單元，每個天線單元包括第一印刷電路板與第二印刷電路板，其中每個天線單元的第一印刷電路板和第二印刷電路板正交放置，每個印刷電路板包括蝕刻于其上的預定形狀的金屬條。
2.一種天線系統，其特征在于，其包括: 基板；以及 排布成預定幾何圖案并連接于所述基板上的多個天線單元，每個天線單元包括水平極化天線和垂直極化天線； 其中根據指示與采用該天線系統的設備通訊的通訊設備的天線類型的信號，激勵所述天線單元中的水平極化天線或垂直極化天線，以所述通訊設備提供更好的無線鏈路。
3.如權利要求1或2所述的天線系統，其特征在于:排布所述天線單元以使得所有天線單元的第一印刷電路板都是平行的，所有天線單元的第二印刷電路板都是平行的。
4.如權利要求3所述的天線系統，其特征在于:每個天線單元的每個印刷電路板都具有蝕刻于其兩側的金屬條。
5.如權利要求4所述的天線系統，其特征在于:蝕刻于所述印刷電路板兩側的金屬條通過其內的金屬化過孔連接。
6.如權利要求3所述的天線系統，其特征在于:任意兩個相鄰的天線單元之間的間距是相同的。
7.如權利要求3所述的天線系統，其特征在于:一個天線單元的第一印刷電路板作為水平極化天線振子，該天線單元的第二印刷電路板作為垂直極化天線振子。
8.如權利要求7所述的天線系統，其特征在于:所述天線單元在功能上相互獨立，能提供具有基本相同的主波束輻射特性的水平極化和垂直極化射頻鏈路。
9.如權利要求1或2所述的天線系統，其特征在于:所述天線系統用于一個基本單元內以提供與一個或多個無線設備的無線接入。
10.如權利要求1或2所述的天線系統，其特征在于:所述天線單元被有選擇的激勵來形成所需的天線方向圖。
11.如權利要求10所述的天線系統，其特征在于:根據配備所述天線系統的裝置與另一個裝置的通訊測得的信號確定所需的天線方向圖。
12.如權利要求1或2所述的天線系統，其特征在于:所述天線系統放置在一個封裝內。
【文檔編號】H01Q1/36GK103579781SQ201310389188
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年8月30日 優先權日:2013年6月2日
【發明者】李鑫, 鄭博信, 汪義兵, 沈駿, 趙輝 申請人:康凱科技（杭州）有限公司